瑪曲縣土地利用/覆蓋變化對區域生態系統服務價值的影響

李晉昌,王文麗,胡光印,魏振海 (1.山西大學黃土高原研究所,山西 太原 00006；.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 70000；.中國科學院寒區旱區環境與工程研究所,甘肅 蘭州 70000)

生態系統服務是指通過生態系統的結構、過程和功能直接或間接得到的生命支持產品和服務[1],或是對人類生存及生活質量有貢獻的生態系統產品和生態系統功能[2],對其價值進行定量評估是高效、合理配置競爭性需要的環境資源的基礎[1,3-4],也是制定生態環境建設補償政策的必要前提[5].近年來,國內外對不同空間尺度的和不同類型的生態系統服務價值評估研究已取得了較大進展,比如 Martínez等[6]研究了墨西哥熱帶山區云霧林的生態系統服務價值,熊鷹等[7]評價了喀斯特地區生態系統服務價值的變化,張曉云等[8]對若爾蓋高原濕地生態系統服務價值進行了動態評估.土地利用/覆蓋變化是全球環境變化的重要組成部分和主要原因之一.人類通過土地利用活動改變地表覆被狀況,引起生態系統結構和功能的改變,從而引起生態系統服務價值的變化[9-11].因此,研究土地利用/覆蓋變化背景下的生態系統服務價值的變化具有重要意義[12-13].

瑪曲縣位于青藏高原東南部,總面積9460km2,海拔在3300～4806m之間,年均氣溫1.1℃,年降水量615mm,屬于高寒草原,是我國一級環境敏感帶的組成部分,也是若爾蓋濕地的組成部分和黃河上游地區的主要水源涵養區.由于氣候變化和人類活動的影響,該地區出現了草地覆蓋度下降,林地面積減少,沙化程度加劇,地表徑流減少,地下水位下降等一系列環境問題[14-19].隨著環境退化,瑪曲縣土地利用/覆蓋也發生了明顯變化變化.因此,本研究借鑒已有研究成果,運用GIS和遙感技術分析1975～2005年間瑪曲縣土地利用/覆蓋變化對區域生態系統服務價值的影響,為研究區土地持續利用和生態環境保護建設提供參考.

1 研究方法

1.1 土地利用/覆蓋數據的來源

研究所用資料為12張1:10萬地形圖,以及1975年的MSS數據,1990年和2005年的TM數據和2000年的ETM數據,影像時相均在6～10月份.對遙感影像采用標準假彩色合成,將近紅外波段、紅色波段和綠色波段進行合成.前期工作已對瑪曲縣1975～2005年間土地利用/覆蓋變化過程、特征及成因進行過分析,包括圖像處理方法、解譯標志的建立和土地利用遙感分類系統[17].本研究選擇間隔均為15a的1975、1990和2005年的三期數據,對瑪曲縣土地利用/覆蓋變化對區域生態系統服務價值的影響做進一步分析.

1.2 生態系統服務價值評價方法

Costanza等人提出的生態系統服務價值評價方法在某些數據上存在較大偏差,爭議較多[20-21].謝高地等[22]針對其不足,根據中國實際情況,制定了中國不同陸地生態系統單位面積生態服務價值表.結合瑪曲縣土地利用特征,為反映不同覆蓋度草地和不同類型林地生態系統服務價值的不同,本研究對其進行了二級分類.粟曉玲等[23]采用專家打分法修正了不同覆蓋度草地和不同類型林地的價值系數,其確定的有林地、灌木林、疏林地和其他林地的修正系數分別為1.5、1.1、0.7和0.7,由于本研究中將疏林地和其他林地合二為一,因此基于比例對原修正系數進行重新確定,其他類型土地的修正系數與粟曉玲等[25]的相同,且將建筑用地單位面積的價值視為與荒漠相同[24],結果如表1所示.

表1 瑪曲縣土地利用類型及其單位生態價值Table 1 Modify coefficient of static services value of different land-use types in Maqu County

以修正后的價值系數為基礎,對瑪曲縣生態系統服務價值進行評估,計算公式為:

式中:ESV為生態系統服務價值;Ak為土地利用類型k的分布面積;Ck為該類型土地單位面積的生態系統服務價值系數.本研究引用敏感性指數(CS)來確定區域生態系統服務價值隨時間的變情況對Ck值的依賴程度,其計算公式如下:

式中: i、j分別表示初始的生態系統服務價值和生態服務價值指數調整后的價值.CS值的計算過程及計算結果的含義見文獻[12].

2 結果與討論

2.1 土地利用/覆蓋變化

分析表明(表2),從多年平均來看,瑪曲縣土地類型以草地為主,達75%左右,其次為濕地,約12%,耕地最少,僅占 0.02%,建筑用地僅 0.05%左右.1975～2005年間,瑪曲縣有林地、灌木林、高覆蓋度草地、濕地和水體面積持續減少,其中有林地減幅最大(45%),高覆蓋度草地次之(16%),水體最小(3%);其他類型土地面積呈持續增加趨勢,其中建筑用地增幅最大(114%),荒漠次之(20%),其他林地最小(3%).除水體外,其他類型土地的面積在1990～2005的變化幅度均大于1975～1990年.

表2 瑪曲縣1975、1990、2005年土地利用/覆蓋變化特征Table2 Land use and land cover change of Maqu county in 1975,1990 and 2005

參照文獻[25]研究結果并結合瑪曲縣自然地理概況,對研究區不同類型土地進行利用程度分級(表2).瑪曲縣經濟活動以牧業為主,并且1975～2005年間,該區中、低覆蓋度草地的擴展主要是由于過度放牧導致高覆蓋度草地退化所致[17],因此覆蓋度不同的草地其土地利用程度指數也不相同,覆蓋度越低,表明利用程度越高,指數也越大.土地利用程度綜合指數計算公式如下:

式中:D表示土地利用程度綜合指數,該值越大,表明土地利用綜合程度越高;Ak為第k種類型土地利用程度分級指數;CCk為第k種類型土地的面積;HJ為土地利用評價區域內土地總面積.

經式(3)計算表明,瑪曲縣1975、1990和2005年土地利用程度綜合指數分別為2.35、2.36和2.42,且 1990～2005年間的差值明顯大于 1975～1990年間,表明該區土地利用綜合程度和人類活動強度均呈增大趨勢.

2.2 區域生態系統服務價值變化

由于瑪曲縣耕地和建筑用地比例極小(＜0.10%),且生態系統價值系數偏低,因此在計算研究區生態系統服務價值時將其忽略.基于式(1),瑪曲縣1975、1990和2005年區域生態系統服務價值分別為129.71、128.39元和123.96億元,單位面積生態系統服務價值分別為13711.42、13571.88、13103.59元/hm2.即30年間,該區域生態系統服務價值共損失5.75億元,年均損失0.19億元,損失幅度為4.44%;1990～2005年年均損失量和損失幅度分別為1975～1990前15年的3.34倍和3.38倍,表明該區域生態系統服務價值呈持續減小趨勢,且損失量和損失幅度在持續加大.與謝高地等[22]的結果相比,瑪曲縣單位面積的生態系統服務價值約為青藏高原平均值(3661.9元/hm2)的3.68倍,表明瑪曲是青藏高原生態系統服務價值的高值區,與牛叔文等[26]的結論一致,這是由于荒漠占青藏高原面積的38%,在瑪曲只占6%.由于瑪曲縣生態地位特殊且具有不可替代性,因此維護其生態系統服務價值的可持續利用對整個黃河流域的生態安全意義重大.

表3 瑪曲縣1975、1990和2005年區域生態系統服務價值變化Table 3 Change in values of ecosystem services of Maqu county in 1975,1990 and 2005

分析表明(表3),從多年平均來看,濕地和高覆蓋度草地對研究區生態系統服務價值的貢獻最大,分別約為49%和26%,有林地最低,僅為0.11%.30年間,瑪曲縣有林地、灌木林、高覆蓋度草地、濕地和水體生態價值持續減少,其中有林地減幅最大(45%),高覆蓋度草地次之(16%),水體最小(3%);其他類型土地生態價值呈持續增加趨勢,其中荒漠增幅最大(20%),其他林地最小(3%),中、低覆蓋度草地分別為14%和15%.研究區30年間生態系統服務價值損失量中,高覆蓋度草地損失價值最多,占63%,濕地次之,占28%.面積增多的土地類型彌補的損失量僅占 31%,其中中覆蓋度草地增多彌補了損失量的22%,但其主要由高覆蓋度草地退化而來.除水體外,其他類型土地的生態價值在 1990～2005年的變化幅度均大于1975～1990年.

以上分析表明,在1975～2005年間,瑪曲縣土地利用變化損害了區域生態系統的服務價值,該損失主要是由草地和濕地退化所導致.

2.3 生態系統各服務類型價值的變化

謝高地等[22]將生態服務劃分為9個功能,依據表1中的修正系數,將不同類型土地9個生態服務價值進行修正,基于修正后的價值和各類型土地的面積,計算得到瑪曲縣1975、1990、2005年生態系統各服務類型價值變化如表 4所示.分析可知,瑪曲縣廢物處理價值比例最高,達23%,對該價值貢獻最大的3類型土地分別為濕地(50%)、高覆蓋地草地(21%)和水體(16%);水源涵養價值僅次于廢物處理,對該價值貢獻最大的3類型土地分別為濕地(61%)、高覆蓋度草地(21%)和中覆蓋度草地(8%);瑪曲縣原材料價值最低,僅為1%左右,灌木林對該價值貢獻最大, 達71%.30年間,瑪曲縣生態系統各服務類型價值比例變化很小,但總值均呈持續減小趨勢,減幅均在4%～6%之間;從價值總額來看,廢物處理損失最大(1.257億元),水源涵養次之(1.015億元),其損失均主要由濕地和高覆蓋地草地退化所致,因此保持瑪曲縣生態系統高水平的服務達71%.30年間,瑪曲縣生態系統各服務類型價值比例變化很小,但總值均呈持續減小趨勢,減幅均在4%～6%之間;從價值總額來看,廢物處理損失最大(1.257億元),水源涵養次之(1.015億元),其損失均主要由濕地和高覆蓋地草地退化所致,因此保持瑪曲縣生態系統高水平的服務價值,使其能夠長期可持續地為人類服務,就要維護好濕地和草地的生態環境,提高各級相關部門對濕地和草地功能和價值的認識,合理限制載畜數量,優化牲畜結構,積極應對氣候變化,恢復濕地和草地的面積和功能.

表4 瑪曲縣1975、1990、2005年生態系統各服務類型價值變化Table 4 Change in values of different ecosystem services of Maqu county in 1975,1990 and 2005

2.4 人均生態系統服務價值變化

李小燕[27]認為將人口與生態系統服務價值有機結合,可以更加直觀有效地反映環境壓力情況.其具體計算公式參見文獻[27].

瑪曲縣1975、1990、2005年人口數量分別為2.2、3.0、4.2萬,據此計算的3個時期人均生態系統服務價值分別為 58.96、42.80、29.51萬元.即30年間,人均生態系統服務價值共損失29萬元,年均損失0.98萬元,減幅達50%,1990～2005年年均損失量和減小幅度分別為 1975～1990年的82%和1.13倍,表明瑪曲縣人均生態系統服務價值呈持續減小趨勢,損失幅度呈增大趨勢,即1975～2005年間,瑪曲縣由于人口的增長,環境壓力呈持續增大趨勢.

2.5 敏感性分析

表5 生態系統服務價值敏感度Table 5 The coefficients of sensitivity of ecosystem service value

根據敏感性指數的計算方法,把各類型土地的生態價值系數分別上下調整 50%,計算出研究區1975年和2005年的敏感性指數,結果如表5所示.各種情況下的 CS都小于 1,最低值為0.00117,即當有林地地的生態價值系數增加 1%時,總價值只增加 0.00117%;最高值為 0.49,即當濕地的生態價值系數增加 1%時,總價值只增加0.49%.這表明,相對于生態系統服務價值系數(C)來說,研究區生態系統服務價值是缺乏彈性的,研究結果是可信的.

3 結論

3.1 瑪曲縣土地類型以草地為主,濕地次之,耕地最少.1975～2005年間,瑪曲縣有林地、灌木林、高覆蓋度草地、濕地和水體面積持續減少,其他類型土地呈持續增加趨勢,且土地利用綜合程度和人類活動強度均呈增大趨勢.

3.2 瑪曲縣1975、1990、2005年區域生態系統服務價值分別為129.713、128.390和123.961億元,表明該區域生態系統服務價值呈持續減小趨勢,且損失量和損失幅度在持續加大,該損失主要是由氣候變化和人類活動共同導致的草地和濕地退化引起.

3.3 瑪曲縣單位面積的生態系統服務價值約為青藏高原平均值的3.68倍,表明瑪曲是青藏高原生態系統服務價值的高值區.

3.4 瑪曲縣生態系統服務價值中,廢物處理價值最高,水源涵養價值次之,原材料價值最低;30年間,瑪曲縣生態系統各服務類型價值比例變化很小,但總值均呈持續減小趨勢,廢物處理價值損失最大,水源涵養次之,其損失均主要由濕地和高覆蓋地草地退化所致.

3.5 瑪曲縣1975、1990和2005年人均生態系統服務價值分別為58.96、42.80、29.51萬元,表明瑪曲縣環境壓力呈持續增大趨勢.

[1]Costanza R, d’Arge R, de Groot R, et al. The value of the world’s ecosystem services and natural capital [J]. Nature, 1997,386:253-260.

[2]孫 剛,盛連喜,周道瑋.生態系統服務及其保護策略 [J]. 應用生態學報, 1999,10(3):265-368.

[3]Daily G C. Nature’s services: societal dependence on natural ecosystems [M]. Washington D C: Island Press, 1997.

[4]Wilson M A, Stephen R C. Economic valuation of freshwater ecosystem services in the united states 1971-1997 [J]. Ecological Applications, 1999,9(3):772-783.

[5]劉軍會,高吉喜.北方農牧交錯帶生態系統服務價值測算及變化[J]. 山地學報, 2008,26(2):145-153.

[6]Martínez M L, Pérez-Maqueo O, Vázquez G, et al. Effects of land use change on biodiversity and ecosystem services in tropical montane cloud forests of Mexico [J]. Forest Ecology and Management, 2009,258:1856-1863.

[7]熊 鷹,謝更新,曾光明,等.喀斯特區土地利用變化對生態系統服務價值的影響——以廣西環江縣為例 [J]. 中國環境科學,2008,28(3):210-214.

[8]張曉云,呂憲國,沈松平.若爾蓋高原濕地生態系統服務價值動態 [J]. 應用生態學報, 2009, 20(5):1147-1152.

[9]徐忠春,謝永生,王恒俊.延安市城郊農村土地利用變化對生態系統服務價值的影響 [J]. 水土保持通報, 2009,29(3):50-55.

[10]Turner B LⅡ, Skole D, Sanderson S, et al. Land-use and land cover change: science/research plan [R]. IGBP Report No.35/HDP Report No.7. Stockholm and Bonn: IGBP, 1995.

[11]Lambin E F, Baulies X, Bockstael N, et al. Land use and landcover change, implementation strategy [R]. IGBP ReportNo.48/IHDP Report No.10. Stockholm and Geneva: IGBP, 1999.

[12]王宗明,張 柏,張樹清.吉林省生態系統服務價值變化研究 [J].自然資源學報, 2004,19(1):55-61.

[13]吳秀芹,蒙吉軍.塔里木河下游土地利用/覆蓋變化環境效應 [J].干旱區研究, 2004,21(1):38-43.

[14]王根緒,沈永平,程國棟.黃河源生態環境變化與成因分析 [J].冰川凍土, 2000,22(3):200-205.

[15]王建宏,張龍生,尚立照.甘肅省沙漠化監測結果 [J]. 中國沙漠,2005,25(5):775-779.

[16]張龍生,馬立鵬.黃河上游瑪曲縣土地沙漠化研究 [J]. 中國沙漠, 2001,21(1):84-87.

[17]胡光印,董治寶,王文麗,等.近 30a瑪曲縣土地利用/覆蓋變化監測 [J]. 中國沙漠, 2009, 29(3): 457-462.

[18]戚登臣,李廣宇,陳文業,等.黃河上游瑪曲縣天然草場退化現狀、成因及治理對策 [J]. 中國沙漠, 2006,26(2):202-207.

[19]王素萍,宋連春,韓永翔,等.瑪曲氣候變化對生態環境的影響[J]. 冰川凍土, 2006,28(4):556-561.

[20]Toman M. Why not to calculate the value of the World’s ecosystem services and natural capital [J]. Ecological Economics,1998,25:57-60.

[21]王宗明,張樹清,張 柏.土地利用變化對三江平原生態系統服務價值的影響 [J]. 中國環境科學, 2004,24(1):125-128.

[22]謝高地,魯春霞,冷允法,等.青藏高原生態資產的價值評估 [J].自然資源學報, 2003,18(2):189-196.

[23]粟曉玲,康紹忠,佟 玲.內陸河流域生態系統服務價值的動態估算方法與應用——以甘肅河西走廊石羊河流域為例 [J]. 生態學報, 2006,26(6):2011-2019.

[24]蔡邦成,陸根法,宋莉娟,等.土地利用變化對昆山生態系統服務價值的影響 [J]. 生態學報, 2006,26(9):3005-3010.

[25]劉紀遠.中國資源環境遙感宏觀調查與動態研究 [M]. 北京:中國科學技術出版社, 1996:171-188.

[26]牛叔文,曾明明,劉正廣,等.黃河上游瑪曲生態系統服務價值的估算和生態環境管理的政策設計 [J]. 中國人口·資源與環境,2006,16(6):79-84.

[27]李小燕.區域生態系統服務價值量與環境壓力分析——以渭南市為例 [J]. 干旱區研究, 2008,25(5):729-734.